本发明涉及煤层气井钻完井技术，具体涉及煤层定向井井壁破裂压力预测方法。
背景技术
煤层气是一种重要的非常规油气资源，其开发和利用越来越受到世界各国的关注和重视。我国煤层气储量丰富，高达36.8×1012m3，是仅次于俄罗斯和加拿大的全球第三大煤层气储量国。如果能高效开发煤层气资源，对我国能源供给意义重大。煤层气的主要成分为甲烷，当其空气浓度达到5％～16％时，遇明火就会爆炸，这也是煤矿瓦斯爆炸事故发生的根本原因。另外，如将煤层气直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍，对生态环境破坏作用极强。所以，在采煤之前如果能先开采煤层气，对煤矿安全生产和环境保护意义重大。
煤层气想要实现工业化开发，必须进行钻井作业并采用一定的增产措施。通常煤层气开发所钻的井型包括直井、定向井和分支井等。这其中以定向井(包括水平井)作为煤层气开发最为主要的井型。
煤层定向井钻井过程中，经常发生井壁漏失等井壁失稳现象。造成井壁漏失的最主要原因是对井壁破裂压力的预测不够准确，导致钻井过程钻井液密度过高，井底的液柱压力大于破裂压力而发生漏失。
另外，如对井壁破裂压力预测不准确，在裸眼完井压裂过程中，还会导致裂缝破裂压力设计出现误差，产生不必要的经济损失甚至导致压裂作业失败。
所以，煤层定向井井壁破裂压力的预测对钻井过程的井壁稳定控制以及完井的合理压裂方案设计具有重要影响。
以往针对煤层定向井井壁破裂压力的预测主要从理论模型计算和压裂资料反演两个方面开展：
采用理论模型计算井壁破裂压力，需要根据地应力、地层孔隙压力和岩石力学参数，应用井壁应力模型计算井壁周向拉应力等于井壁岩石抗张强度时的破裂压力数值。该方法无法考虑煤岩本身的割理等结构弱面对破裂压力的影响，计算结果往往存在较大误差。
采用压裂资料反演计算地应力时，应用同一区块的多口压裂井进行破裂压力反演，将多口井的反演计算平均值作为预测该区块钻井井壁破裂压力的数值。该方法在进行压裂反演时无法区分反演井的实际压裂破裂模式，由于煤岩压裂的破裂可能发生于煤岩本体也可能发生于割理等结构弱面，这样将不同破裂模式混合到一起必然使计算结果失真而产生较大误差。
所以现有的煤层定向井井壁破裂压力预测方法，在计算和预测煤层定向井井壁破裂压力时都存在不同程度的不适用性。
技术实现要素：
本发明的目的是提供煤层定向井井壁破裂压力预测方法，这种煤层定向井井壁破裂压力预测方法用于解决现有的煤层定向井井壁破裂压力预测方法在计算和预测煤层定向井井壁破裂压力时都存在不同程度的不适用性的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种煤层定向井井壁破裂压力预测方法：
步骤一、开展研究区块煤岩地层岩石力学实验，测试地应力大小、地层孔隙压力大小、煤岩抗拉强度、抗压强度、内聚力、割理内聚力、内摩擦系数；
步骤二、根据煤岩地层定向井井身结构数据及其与原地应力坐标系和大地坐标系的关系，在井眼坐标系、原地应力坐标系和大地坐标系间进行转换，将原地应力转换到井眼坐标系下进行受力分析；
步骤三、根据煤岩地层定向井井壁应力计算模型，计算煤岩地层定向井井壁周围的应力分布情况；
井壁应力计算公式如下：
式中：σr,σθ,σz,σrθ,σθz和σzr是井眼坐标系下井壁各应力分量，mpa；σxx,σyy,σzz,σxy,σyz和σxz是原地应力转换到井眼坐标下的应力，mpa；pi是井眼内的流体压力，mpa；pp是煤岩层孔隙压力，mpa；ν是煤岩泊松比；θ井眼周围任一点相对x轴的极角，°；φ是煤岩孔隙度；α是有效应力系数；e是煤岩弹性模量，mpa；αt是煤岩热膨胀系数；t0是煤岩层位初始地层温度，°；t是井眼中流体温度，°；r煤层定向井井眼半径；r是井眼周围任意一点到井眼轴线的距离；
步骤四、计算煤岩地层定向井井壁煤岩本体发生拉伸破坏时的破裂压力，根据煤岩地层定向井井壁周向应力σθ与煤岩抗张强度σt相等的力学条件，确定破裂压力pf1；
步骤五、计算与煤岩地层定向井井壁相交的煤岩割理发生拉伸或剪切破坏的破裂压力，与煤岩地层定向井井壁相交的割理，可能是面割理也可能是端割理，对各种可能发生的破裂模式分别进行计算；
在割理处是否发生拉伸破坏，根据井眼内的流体压力pi与割理所受正应力σmn相等的力学条件来进行计算，割理所受的正应力σmn为：
σmn＝cos2γm1σ1+cos2γm2σ2+cos2γm3σ3
式中：γmi为割理的面法线与第i主应力夹角，(°)，i＝1，2，3。主应力σ1,σ2,σ3与σr,σθ,σz对应，具体对应关系根据实际受力情况进行匹配；
在割理处是否发生剪切破坏，根据割理所受的剪切应力与割理本身的抗剪切强度相等的力学条件来进行计算，具体计算公式为：
式中：τm0为割理内煤岩粘聚力，mpa；μm为割理的内摩擦系数；
与井壁相交的煤岩割理发生破坏的破裂压力为面割理或端割理中拉伸和剪切破坏所对应的井眼内流体压力最小值：
pf2＝min{pmz,pmj,pdz,pdj}
式中：pf2为煤岩与井壁相交割理处破坏的破裂压力，mpa；pmz，pmj分别为从面割理发生张性破坏和剪切破坏的起裂压力，mpa；pdz，pdj分别为从端割理发生张性破坏和剪切破坏的起裂压力，mpa；
步骤六、计算与煤岩地层定向井井壁不相交的煤岩割理发生剪切破坏的破裂压力，与井壁不相交的割理，只能产生面割理或端割理的剪切破坏，对两种可能发生的破裂分别进行计算；计算的力学条件与步骤五中剪切破坏的条件相同，主应力需要重新求解，其中主应力σ1、σ2和σ3为下面方程的各根：
与井壁不相交的煤岩割理发生破坏的破裂压力为面割理或端割理中剪切破坏所对应的井眼内流体压力最小值：
pf3＝min{pmfj,pdfj}
式中：pf3为煤岩与井壁不相交割理处破坏的破裂压力，mpa；pmfj为从面割理发生剪切破坏的起裂压力，mpa；pdfj为从端割理发生剪切破坏的起裂压力，mpa；
步骤七、煤岩地层定向井井壁破裂压力为不同破裂模式下各破裂压力的最小值，最小的破裂压力所对应的破坏方式即为相应的破坏模式，所以煤层定向井井壁破裂压力为：
pf＝min{pf1,pf2,pf3}。
本发明具有以下有益效果：
1、通过本发明提供的煤层定向井井壁破裂压力预测方法，可以避免现有煤层定向井井壁破裂压力计算方法无法考虑煤岩内部割理结构弱面对破裂的影响，使井壁破裂压力预测结果更真实可靠；
2、通过本发明提供的煤层定向井井壁破裂压力预测方法，可以更为准确的计算和预测煤层定向井井壁破裂压力，得到准确的钻井液密度控制界限，减少钻井过程中井壁破裂失稳的发生，提高钻井效率，节约钻井成本；
3、通过本发明提供的煤层定向井井壁破裂压力预测方法，可以准确的计算和预测煤层定向井裸眼完井压裂的井壁破裂压力，为压裂方案设计提供准确的设计依据，提高压裂成功率，降低施工成本；
4、本发明提供的煤层定向井井壁破裂压力预测方法，应用于不同区块时，只需将不同区块对应的地层岩石力学参数、地应力数据以及井身结构等数据输入模型，实用性强。
具体实施方式
下面对本发明作进一步的说明：
这种煤层定向井井壁破裂压力预测方法：
步骤一、开展研究区块煤岩地层岩石力学实验，测试地应力大小、地层孔隙压力大小、煤岩抗拉强度、抗压强度、内聚力、割理内聚力、内摩擦系数；
步骤二、根据煤岩地层定向井井身结构数据及其与原地应力坐标系和大地坐标系的关系，在井眼坐标系、原地应力坐标系和大地坐标系间进行转换，将原地应力转换到井眼坐标系下进行受力分析；
步骤三、根据煤岩地层定向井井壁应力计算模型，计算煤岩地层定向井井壁周围的应力分布情况；
井壁应力计算公式如下：
式中：σr,σθ,σz,σrθ,σθz和σzr是井眼坐标系下井壁各应力分量，mpa；σxx,σyy,σzz,σxy,σyz和σxz是原地应力转换到井眼坐标下的应力，mpa；pi是井眼内的流体压力，mpa；pp是煤岩层孔隙压力，mpa；ν是煤岩泊松比；θ井眼周围任一点相对x轴的极角，°；φ是煤岩孔隙度；α是有效应力系数；e是煤岩弹性模量，mpa；αt是煤岩热膨胀系数；t0是煤岩层位初始地层温度，°；t是井眼中流体温度，°；r煤层定向井井眼半径；r是井眼周围任意一点到井眼轴线的距离；
步骤四、计算煤岩地层定向井井壁煤岩本体发生拉伸破坏时的破裂压力，根据煤岩地层定向井井壁周向应力σθ与煤岩抗张强度σt相等的力学条件，确定破裂压力pf1；
步骤五、计算与煤岩地层定向井井壁相交的煤岩割理发生拉伸或剪切破坏的破裂压力，与煤岩地层定向井井壁相交的割理，可能是面割理也可能是端割理，对各种可能发生的破裂模式分别进行计算；
在割理处是否发生拉伸破坏，根据井眼内的流体压力pi与割理所受正应力σmn相等的力学条件来进行计算，割理所受的正应力σmn为：
σmn＝cos2γm1σ1+cos2γm2σ2+cos2γm3σ3
式中：γmi为割理的面法线与第i主应力夹角，(°)，i＝1，2，3。主应力σ1,σ2,σ3与σr,σθ,σz对应，具体对应关系根据实际受力情况进行匹配；
在割理处是否发生剪切破坏，根据割理所受的剪切应力与割理本身的抗剪切强度相等的力学条件来进行计算，具体计算公式为：
式中：τm0为割理内煤岩粘聚力，mpa；μm为割理的内摩擦系数，还有一个；
与井壁相交的煤岩割理发生破坏的破裂压力为面割理或端割理中拉伸和剪切破坏所对应的井眼内流体压力最小值：
pf2＝min{pmz,pmj,pdz,pdj}
式中：pf2为煤岩与井壁相交割理处破坏的破裂压力，mpa；pmz，pmj分别为从面割理发生张性破坏和剪切破坏的起裂压力，mpa；pdz，pdj分别为从端割理发生张性破坏和剪切破坏的起裂压力，mpa；
步骤六、计算与煤岩地层定向井井壁不相交的煤岩割理发生剪切破坏的破裂压力，与井壁不相交的割理，只能产生面割理或端割理的剪切破坏，对两种可能发生的破裂分别进行计算；计算的力学条件与步骤五中剪切破坏的条件相同，主应力需要重新求解，其中主应力σ1、σ2和σ3为下面方程的各根：
与井壁不相交的煤岩割理发生破坏的破裂压力为面割理或端割理中剪切破坏所对应的井眼内流体压力最小值：
pf3＝min{pmfj,pdfj}
式中：pf3为煤岩与井壁不相交割理处破坏的破裂压力，mpa；pmfj为从面割理发生剪切破坏的起裂压力，mpa；pdfj为从端割理发生剪切破坏的起裂压力，mpa；
步骤七、煤岩地层定向井井壁破裂压力为不同破裂模式下各破裂压力的最小值，最小的破裂压力所对应的破坏方式即为相应的破坏模式，所以煤层定向井井壁破裂压力为：
pf＝min{pf1,pf2,pf3}。